Cómo se organizan y funcionan los LED

Los dispositivos semiconductores emisores de luz son ampliamente utilizados para sistemas de iluminación y como indicadores de corriente eléctrica. Se refieren a dispositivos electrónicos que funcionan bajo el voltaje aplicado.

Dado que su valor es insignificante, tales fuentes pertenecen a dispositivos de bajo voltaje, tienen un mayor grado de seguridad con respecto al efecto de la corriente eléctrica en el cuerpo humano. Los riesgos de lesiones aumentan cuando se utilizan fuentes de mayor voltaje, por ejemplo, una red doméstica doméstica, que requiere la inclusión de fuentes de alimentación especiales en el circuito, para iluminarlos.

Una característica distintiva del diseño del LED es una mayor resistencia mecánica de la carcasa que la de Illich y las lámparas fluorescentes. Con una operación adecuada, trabajan de manera prolongada y confiable. Su recurso es 100 veces mayor que el de los filamentos incandescentes, llegando a cien mil horas.

Sin embargo, este indicador es característico para los diseños de indicadores. Las fuentes de alta potencia utilizan altas corrientes para la iluminación, y la vida útil se reduce de 2 a 5 veces.

Dispositivo LED

Un LED indicador convencional está hecho en una caja de epoxi con un diámetro de 5 mm y dos cables de contacto para la conexión a circuitos de corriente eléctrica: ánodo y cátodo. Visualmente difieren en longitud. Para un dispositivo nuevo sin contactos cortados, el cátodo es más corto.

Una regla simple ayuda a recordar esta posición: ambas palabras comienzan con la letra "K":

• cátodo

• en resumen

Cuando se cortan las patas del LED, se puede determinar el ánodo aplicando 1,5 voltios de voltaje de una simple batería de dedo a los contactos: la luz aparece cuando las polaridades coinciden.

El cristal individual activo emisor de luz de un semiconductor tiene la forma de un paralelepípedo rectangular. Se coloca cerca de un reflector parabólico hecho de aleación de aluminio y montado sobre un sustrato con propiedades no conductoras.

Al final de una caja transparente transparente hecha de materiales poliméricos, hay una lente que enfoca los rayos de luz. Junto con el reflector, forma un sistema óptico que forma el ángulo del flujo de radiación. Se caracteriza por el patrón de directividad del LED.

Caracteriza la desviación de la luz del eje geométrico de la estructura general hacia los lados, lo que conduce a un aumento de la dispersión. Este fenómeno ocurre debido a la aparición de pequeñas violaciones de la tecnología durante la producción, así como al envejecimiento de los materiales ópticos durante la operación y algunos otros factores.

Se puede ubicar una correa de aluminio o latón en la parte inferior de la caja, que sirve como radiador para eliminar el calor generado durante el paso de la corriente eléctrica.

Este principio de diseño está muy extendido. Sobre esta base, otras fuentes de luz semiconductoras también se crean utilizando otras formas de elementos estructurales.

Principios de emisión de luz.

La unión semiconductora tipo p-n está conectada a una fuente de voltaje constante de acuerdo con la polaridad de los terminales.

Dentro de la capa de contacto de las sustancias de tipo p y n, bajo su acción, comienza el movimiento de electrones y agujeros libres cargados negativamente, que tienen un signo de carga positiva. Estas partículas se dirigen hacia sus polos.

En la capa de transición, las cargas se recombinan. Los electrones pasan de la banda de conducción a la banda de valencia, superando el nivel de Fermi.

Debido a esto, parte de su energía se libera con la liberación de ondas de luz de diversos espectros y brillo. La frecuencia de las ondas y la reproducción del color dependen del tipo de materiales mezclados de los que está hecho unión p-n.

Para la radiación de luz dentro de la zona activa de un semiconductor, se deben cumplir dos condiciones:

1. el espacio de la zona prohibida en anchura en la región activa debe estar cerca de la energía de los cuantos emitidos dentro del rango de frecuencia visible para el ojo humano;

2. La pureza de los materiales del cristal semiconductor debe ser alta, y el número de defectos que afectan el proceso de recombinación es el mínimo posible.

Este difícil problema técnico se resuelve de varias maneras. Una de ellas es la creación de varias capas de uniones p-n cuando se forma una heteroestructura compleja.

Efecto de temperatura

A medida que aumenta el nivel de voltaje de la fuente, aumenta la corriente a través de la capa de semiconductores y aumenta la luminiscencia: un mayor número de cargas por unidad de tiempo ingresa a la zona de recombinación. Al mismo tiempo, los elementos que transportan corriente se calientan. Su valor es crítico para el material de los conductores de corriente internos y la sustancia de la unión pn. Las temperaturas excesivas pueden dañarlos, destruirlos.

Dentro de los LED, la energía de la corriente eléctrica pasa directamente a la luz, sin procesos innecesarios: no como con las lámparas con filamentos incandescentes. En este caso, se forman pérdidas mínimas de potencia útil debido al bajo calentamiento de los elementos conductores.

Debido a esto, se crea una alta eficiencia de estas fuentes. Pero, se pueden usar solo donde la estructura en sí está protegida, bloqueada del calentamiento externo.

Características de los efectos de iluminación.

Tras la recombinación de agujeros y electrones en diferentes composiciones de las sustancias de unión pn, se crea una emisión de luz desigual. Es habitual caracterizarlo por el parámetro del rendimiento cuántico: el número de cuantos de luz extraídos para un solo par de cargas recombinadas.

Se forma y ocurre en dos niveles del LED:

1. dentro de la unión de semiconductores en sí - interna;

2. en el diseño de todo el LED en su conjunto - externo.

En el primer nivel, el rendimiento cuántico de cristales individuales ejecutados correctamente puede alcanzar un valor cercano al 100%. Pero, para garantizar este indicador, es necesario crear grandes corrientes y una potente disipación de calor.

Dentro de la fuente misma, en el segundo nivel, parte de la luz se dispersa y es absorbida por elementos estructurales, lo que reduce la eficiencia general de la radiación. El valor máximo del rendimiento cuántico es mucho menor. Para los LED que emiten un espectro rojo, no alcanza más del 55%, mientras que para el azul disminuye aún más, hasta el 35%.

Tipos de transmisión de luz de color.

Los LED modernos emiten:

• amarillo:

• verde

• rojo

• azul

• azul

• luz blanca

Espectro amarillo verde, amarillo y rojo

La unión pn se basa en fosfuros y arseniuros de galio. Esta tecnología se implementó a fines de los años 60 para indicadores de dispositivos electrónicos y paneles de control de equipos de transporte, carteles publicitarios.

Dichos dispositivos de salida de luz superaron inmediatamente a las principales fuentes de luz de ese tiempo: lámparas incandescentes y las superaron en fiabilidad, recursos y seguridad.

Espectro azul

Los emisores de los espectros azul, azul-verde y especialmente blanco no se prestaron a una implementación práctica durante mucho tiempo debido a las dificultades de la solución compleja de dos problemas técnicos:

1. tamaño limitado de la zona prohibida en la que se realiza la recombinación;

2. Altos requisitos para el contenido de impurezas.

Para cada paso de aumentar el brillo del espectro azul, se requería un aumento en la energía de los cuantos debido a la expansión del ancho de la zona prohibida.

El problema se resolvió mediante la inclusión de carburos de silicio SiC o nitruros en la sustancia semiconductora. Pero, los desarrollos del primer grupo resultaron tener una eficiencia demasiado baja y un pequeño rendimiento de radiación cuántica para un par de cargas recombinadas.

La inclusión de soluciones sólidas de seleniuro de zinc en la unión de semiconductores ayudó a aumentar el rendimiento cuántico. Pero, tales LED tenían una alta resistencia eléctrica en la unión.Debido a esto, se sobrecalentaron y se quemaron rápidamente, y las estructuras complejas en la fabricación de eliminación de calor para ellos no funcionaron de manera efectiva.

Por primera vez, se creó un LED azul usando películas delgadas de nitruro de galio depositadas sobre un sustrato de zafiro.

Espectro blanco

Para obtenerlo, use una de las tres tecnologías desarrolladas:

1. mezcla de colores según el método RGB;

2. aplicando tres capas de fósforo rojo, verde y azul al LED ultravioleta;

3. recubrir el LED azul con capas de fósforo amarillo-verde y verde-rojo.

En el primer método, se colocan tres cristales individuales en una matriz única a la vez, cada uno de los cuales emite su propio espectro RGB. Debido al diseño del sistema óptico basado en lentes, estos colores se mezclan y la salida resultante es un tinte blanco total.

En un método alternativo, la mezcla de colores se produce debido a la irradiación sucesiva con radiación ultravioleta de las tres capas de fósforo constituyentes.

Características de la tecnología de espectro blanco.

Técnica RGB

Te permite:

• implican varias combinaciones de cristales individuales en el algoritmo de control de iluminación, conectándolos alternativamente manualmente o con un programa automatizado;

• causar varios tonos de color que cambian con el tiempo;

• crear espectaculares sistemas de iluminación para publicidad.

Un ejemplo simple de tal implementación es guirnaldas de navidad de color. Algoritmos similares también son ampliamente utilizados por los diseñadores.

Las desventajas de los LED RGB son:

• color heterogéneo del punto de luz en el centro y los bordes;

• calentamiento desigual y eliminación de calor de la superficie de la matriz, lo que conduce a diferentes tasas de envejecimiento de las uniones p-n, lo que afecta el equilibrio de color y cambia la calidad general del espectro blanco.

Estas desventajas son causadas por la diferente disposición de cristales individuales en la superficie de la base. Son difíciles de arreglar y configurar. Debido a esta tecnología, los modelos RGB se encuentran entre los diseños más complejos y costosos.

LED con fósforo

Son más simples en diseño, más baratos de fabricar, más económicos cuando se convierten en unidades de radiación de flujo luminoso.

Se caracterizan por desventajas:

• en la capa de fósforo hay pérdidas de energía lumínica, que reducen la emisión de luz;

• la complejidad de la tecnología para aplicar una capa uniforme de fósforo afecta la calidad de la temperatura del color;

• El fósforo tiene una vida más corta que el LED y envejece más rápido durante el uso.

Características de LEDs de diferentes diseños.

Los modelos de fósforo y los productos RGB se crean para diversas aplicaciones industriales y domésticas.

Métodos de nutrición

El LED indicador de las primeras descargas masivas consumió aproximadamente 15 mA cuando se alimentó desde un valor ligeramente inferior a dos voltios de voltaje constante. Los productos modernos tienen características mejoradas: hasta cuatro voltios y 50 mA.

Los LED para iluminación funcionan con el mismo voltaje, pero ya consumen varios cientos de miliamperios. Los fabricantes ahora desarrollan y diseñan activamente dispositivos de hasta 1 A.

Para aumentar la eficiencia de la salida de luz, se crean módulos LED que pueden usar un suministro de voltaje secuencial para cada elemento. En este caso, su valor aumenta a 12 o 24 voltios.

Al aplicar voltaje al LED, se debe tener en cuenta la polaridad. Cuando se rompe, la corriente no pasa y no habrá resplandor. Si se usa una señal sinusoidal alterna, entonces el brillo solo ocurre cuando se transmite una media onda positiva. Además, su fuerza también cambia proporcionalmente de acuerdo con la ley de la aparición de la magnitud de corriente correspondiente con una dirección polar.

Debe tenerse en cuenta que con el voltaje inverso, es posible una ruptura de la unión de semiconductores. Ocurre cuando excede los 5 voltios en un solo cristal.

Métodos de gestión

Para ajustar el brillo de la luz emitida, se utiliza uno de los dos métodos de control:

1. la magnitud del voltaje conectado;

2. utilizando Modulación de ancho de pulso - PWM.

El primer método es simple pero ineficiente. Cuando el nivel de voltaje cae por debajo de cierto umbral, el LED simplemente puede apagarse.

El método PWM elimina este fenómeno, pero es mucho más complicado en la implementación técnica. La corriente que pasa a través de la unión de semiconductores del cristal único no es suministrada por una forma constante, sino por una alta frecuencia pulsada con un valor de varios cientos a mil hercios.

Al cambiar el ancho de los pulsos y las pausas entre ellos (el proceso se llama modulación), el brillo del brillo se ajusta en un amplio rango. La formación de estas corrientes a través de cristales individuales se lleva a cabo mediante unidades especiales de control programables con algoritmos complejos.

Espectro de emisión

La frecuencia de la radiación que emerge del LED se encuentra en una región muy estrecha. Se llama monocromática. Es fundamentalmente diferente del espectro de ondas que emanan del Sol o de los filamentos incandescentes de las bombillas ordinarias.

Se discute mucho sobre el efecto de dicha iluminación en el ojo humano. Sin embargo, los resultados de análisis científicos serios de este tema son desconocidos para nosotros.

Producción

En la fabricación de LED, solo se utiliza una línea automática, en la que las máquinas robot funcionan de acuerdo con una tecnología prediseñada.

El trabajo manual físico de una persona está completamente excluido del proceso de producción.

Los especialistas capacitados solo controlan el curso correcto de la tecnología.

El análisis de la calidad de los productos también es su responsabilidad.